10.11.2004 - ENERGIEVERSORGUNG

Optimierung für den Strom aus der Zelle

Mathematiker gehen chemischen Prozessen in Brennstoffzellen auf den Grund

Klaus Oberzig

DMFC-Stack - Bild: FZ Jülich

Wenn über Brennstoffzellen diskutiert wird, sind die Leute vom Fach meistens Ingenieure, Physiker oder Chemiker. Doch seit geraumer Zeit wird kaum an einer modernen Technologie gearbeitet, ohne sie mit mathematischen Theorien fundiert zu untersetzen, so auch bei Themen der Energieversorgung der Zukunft. Die Mathematik spielt heute mehr denn je die Rolle der verborgenen Kunst, die alle Disziplinen unsichtbar verbindet. Ihre Tätigkeit konzentriert sich heute auf das Modellieren realer Prozesse, deren Simulation am Computer und den sich daraus ergebenden Möglichkeiten einer Optimierung. So auch bei aktuellen Forschungsarbeiten an Brenn-stoffzellen. Sie gelten als neuester Trend in der Energietechnik. Ihnen wird als dezentralem oder mobilem Stromlieferant für Autos, Gebäude oder tragbare elektronische Geräte eine große Zukunft vorausgesagt. Denn sie sind sauber, umweltfreundlich und effizient.

"Natürlich können mathematische Modelle nur so gut durchdacht sein wie die physikalischen und chemischen Erkenntnisse, die sie beschreiben", sagt dazu der Physiker Klaus Gärtner vom Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS) in Berlin. Gemeinsam mit dem Mathematiker Jürgen Fuhrmann entwickelt er Modelle für die elektrochemischen Vorgänge im Innern einer Brennstoffzelle. "Mit Hilfe der Mathematik kann man aber viele Einzelheiten, die im Experiment kaum zugänglich sind, sichtbar und damit verständlich machen." Ist das geschafft, lässt sich dies in eine Computersimulation umsetzen, die ihrerseits den Entwicklern bei der weiteren Arbeit neue Möglichkeiten eröffnet.

Oftmals werden Brennstoffzellen in einem Atemzug mit Wasserstoff-Technologie genannt. Doch der Weg zur reinen Wasserstoffbatterie ist noch weit. Daher experimentieren die Ingenieure auch mit flüssigem Methanol, das wie Benzin an jeder Tankstelle verfügbar sein könnte. Die Verwendung eines bei Raumtemperatur flüssigen Kraftstoffs wie Methanol umgeht die Schwierigkeiten der Wasser-stoffspeicherung. Die Wasserstofferzeugung mittels Reformer vor Ort – das Prinzip der Indirekt-Methanol-Brennstoffzelle - erfordert aber eine sehr komplexe Systemtechnik. Angestrebt wird daher eine Um-setzung des Methanols direkt in der Brennstoffzelle - ohne vorgela-gerten Reformer. Dies ist das Konzept der sogenannten Direkt-Methanol-Brennstoffzelle (DMFC), über die am Forschungszentrum Jülich gearbeitet wird. 

Die Berliner Klaus Gärtner und Jürgen Fuhrmann haben sich in Ko-operation mit Jülicher Forschern genau dieses Brennstoffzellentyps angenommen, bei dem das Methanol direkt im Herzen der Zelle zu Wasserstoffionen, Wasser und Kohlendioxid zersetzt wird. Eine hauchfeine Membran trennt den Reaktionsraum für das Methanol von der anderen Seite, wo die Wasserstoffionen mit Luftsauerstoff zu Wasser reagieren. "Das ist der ideale Ablauf", beschreibt Jürgen Fuhrmann. "Unser Problem sind unerwünschte Nebenreaktionen. Bei bestimmten Betriebsbedingungen kann das Methanol die Membran durchdringen. Damit ist es für den gezielten Umsatz in Wasserstoff-ionen verloren. Ein Teil der Methanolumsetzung läuft dann unkon-trolliert auf der falschen Seite der Membran ab. Der Wirkungsgrad, also die Energieausbeute der Brennstoffzelle, verschlechtert sich erheblich."

Die beiden Berliner Wissenschaftler haben die chemischen Reak-tionen an der komplizierten Membran in ein aufwändiges mathe-matisches Modell gebracht, das nun wichtige Rückschlüsse auf die Vorgänge in der Zelle ermöglicht. Das dauerte rund zwei Jahre. Elf partielle Differentialgleichungen und zwölf algebraische Gleichungen beschreiben nun die Konzentrationen, Reaktionsraten, Ströme und deren Abhängigkeit von Parametern, wie Sauerstoffdruck, Tempe-ratur und Methanolkonzentration der zugeführten Lösung und berechnen deren komplexe Zusammenhänge. "Vorher wusste man nicht genau, wie diese parasitären Methanolreaktionen ablaufen", erklärt Klaus Gärtner. "Jetzt können wir Schlussfolgerungen ziehen, beispielsweise die Geometrie der Reaktionsräume verändern, um den Prozess zu optimieren."

Mit dem mathematischen Modell lassen sich die verschiedenen Para-meter zum Test im Computer variieren, auch für Abläufe, die den Messgeräten eines Entwicklungsingenieurs verborgen sind. "Wir betrachten nur die einzelne elektrochemische Zelle", grenzt Jürgen Fuhrmann ein. "Man könnte solche Modelle natürlich auch für Zellenpakete oder eine ganze Brennstoffzelle mit allen Steuer-systemen aufstellen. Aber dazu müssen die inneren Prozesse erst einmal geklärt sein", beschreibt er die Bedeutung seiner Arbeit.

Mehr im Internet: 
Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS)
DFG-Forschungszentrum MATHEON